【新時代のエネルギーへ】麻植物とバイオマス。そして、バイオエネルギーへ。

はじめに

石炭や石油は人類の発展に重要な役割を果たしてきましたが、化石燃料の使用を続けると、公害、気候変動、資源戦争など多くの問題が発生し、人類の滅亡につながる可能性があります。最近抱えている課題は、化石燃料の枯渇ではなく、化石燃料が地球にもたらしているダメージです。例えば、産業革命後、イギリスはかなりの大気汚染を抱えて[図1]。

それが煙突の高さに問題があると考え、煙突の高さを高くしました。イギリスの大気汚染の問題は軽減したと同時に、その汚染された大気はスウェーデンまで流れていき、スウェーデンで酸性雨の問題が引き起こりました。根源を解決しない限り、問題は先延ばしすらできないのです。電気自動車はこのジレンマの一部を解決するのに役立つでしょうが、輸送やその他の用途では、将来にわたって固体燃料や液体燃料の必要性があることに変わりはありません。化石燃料に代わるものとしては、大豆、パーム、工業用麻(Cannabis sativa)などの作物を原料とするバイオ燃料があります。工業用大麻は、いくつかの異なるタイプの液体燃料、ガス、および固体燃料を生産するための良い原料です。

麻植物のバイオディーゼル

ヘンプシードには約30%の油分が含まれており、この油は何世紀にもわたってランプの燃料として利用されてきました[図2]。

ヘンプシードオイルは、トランスエステル化と呼ばれるプロセスを経て、自動車に使用するのに適したバイオディーゼルに変換することもできます。大豆、ヒマワリ、ピーナッツ、菜種などの作物よりも生産量が多く、1ヘクタールあたり年間800リットル以上のバイオディーゼルを生産できると計算されています。これに加えて、植物の残りの部分からメタノール、エタノール、バイオガス、固形燃料も生産できる可能性があります。
では、なぜヘンプバイオディーゼルはもっと広く使われていないのだろうか?それは、入手可能性とコストの関係にあります。ヘンプシードオイルは様々な用途で使用されているため、価格が高いままです。しかし、より多くの国がようやく工業用ヘンプの驚くべき可能性に目覚め、栽培面積が増えれば、このバイオ燃料のコストは下がるはずです。

ヘンプエタノールとメタノール

バイオディーゼル用途とは異なり、麻の植物全体をエタノールやメタノールの製造に利用することができます。バイオディーゼルと同様に、エタノールやメタノールは自動車の燃料として使用することができます。工業用の麻から得られる場合、これらのアルコールはヘンプノールと呼ばれることがあります。エタノールは、植物の糖分やデンプンから作られます。麻からエタノールを作るためには、いくつかの段階を経て、セルロース分解と呼ばれる工程を経る必要があります。

  • 麻に含まれるセルロースを加水分解に適した状態にするための前処理。
  • セルロースをグルコースに変える酵素(セルラーゼ)を使って分子を糖に分解する。
  • リグニンから糖質を分離する。
  • 糖液を発酵させる。
  • エタノールを抽出するための蒸留。
  • モレキュラーシーブを使ってエタノールの濃度を上げること。

ヘンプエタノールを自動車の燃料として使用するというアイデアは、確かに新しいものではありません。ヘンリー・フォードは元々、車に使用するエタノールの製造のために大麻を栽培していたと言われています。もう一つのアルコールであるメタノールは、植物の木質・パルプから製造され、木質アルコールとしても知られています。麻からメタノールを製造するには、乾式蒸留を行う必要があります。これには、熱分解と呼ばれる、酸素がない状態で有機物を熱化学的に分解して火をつけないようにする方法があります。材料の加熱は、メタノールに凝縮することができるガスを生成します。乾式蒸留の副産物である木炭は、固体燃料として使用することができます。

固体燃料としての産業用ヘンプ

2011年の研究では、ヘンプの調整されたバイオマスエネルギー収量は、固体燃料の点で小麦藁よりも120%高いことが明らかになっています[1]。固形バイオ燃料の一つであるヘンプペレットは、ヘンプの木質コアであるシブやハードを原料としています。ペレットにヘンプを使用することは、木材の代わりになり、同じくらいの熱量が得られ、灰分の含有量も同じくらいで、腐食性がないため、良い代替燃料となります。ヘンプは木炭の原料にもなりますし、熱分解の過程でメタノールなどの液体バイオ燃料も生産することができます。

ヘンプバイオガス

メタンは、家庭で使用する天然ガスの主成分であり、化学的にはメタノールと密接な関係があります。メタンは、嫌気性細菌が有機物に付着することで生成されます。嫌気性の状態(酸素がない状態で発生する)を作り、ガスを捕らえるために使用する装置は、機械的な胃袋のような役割を果たすバイオディゲスターと呼ばれています[図3]。

2010年の研究では、麻からのバイオガスは、小麦からのエタノールや菜種からのバイオディーゼルに代わる高収率の代替品であることがわかりました。麻からのバイオガス生産の廃棄物は、肥料として使用することができます。

バイオ燃料

トウモロコシからバイオエタノールやディーゼルを大規模に作るというブラジルの政策から、一時期、トウモロコシの価格が上がったことがありました[図4]。

どんな植物からバイオエタノール、バイオディーゼルを作れるのでしょうか?また、麻からバイオエタノールやバイオディーゼルを製造できるのでしょうか?

まず、一つ目の回答に関して、現在ほとんど全ての植物からバイオエタノール、バイオディーゼルの製造は可能です。しかし、構成する化合物の含有量の違いから、製造方法やコストが異なります。

バイオエタノールの原料として

  • さとうきびやてんさいといった糖質の多い植物、
  • トウモロコシ、コメ、麦といった、でんぷん質の多い植物、そして、
  • 麻を含めたセルロースを多く含む植物の三種類に大別しています。一般的にバイオエタノールとして実用化されているものとして、①と②がありますが、③のセルロースを多く含む材料において研究段階でありながら実用化に期待が集まっています[3]。セルロースからバイオエタノールを作るにあたって、発酵に必要な糖を取り出し、その後、発酵するため、割高になります。しかし、バイオマスの大部分がセルロースやヘミセルロースと呼ばれる材料からできており、これらの化合物は③の植物でしかバイオエタノールを作れません。一方で、バイオディーゼルは植物油を自動車などの燃料用に製造することをいいます。よく家庭用の廃油で車を運転するというが、放送されています。まさにあれがバイオディーゼルです。麻の種から抽出される油がこのバイオディーゼルとして注目されています[4]。しかし、現在専ら医療用で使用するために、広く研究されています。

産業用ヘンプバイオ燃料はカーボンニュートラルか?

バイオ燃料を使用した際に放出される二酸化炭素の量は、成長過程で植物が吸収した二酸化炭素の量と同等であるため、多くの人がカーボンニュートラルであると主張しています。しかし、栽培から収穫、燃料製造に至るまで、燃料を製造するためのすべての投入物を考慮に入れる必要があります。一括りにして主張を正当化するためには、これらのプロセスもカーボンニュートラルでなければなりません。炭素強度という点で、一部のバイオ燃料に比べて麻が優位に立つのは、トウモロコシや大豆などの作物に比べて、麻の栽培に必要な投入量が少ないという、非常に丈夫な植物であるという点にあります。

食品としても利用可能な燃料?

食用作物を燃料として使用することは常に議論の的になっていますが、ヘンプで学んだように、種はバイオ燃料として使用する必要はありません。工業用ヘンプをバイオ燃料として使用する多くの利点の一つは、実質的に植物全体を使用できることです。
他の食用作物と比較した場合のもう一つの利点は、限界地での栽培が可能で、農薬や肥料を必要とせず、水もほとんど必要としないことです。工業用ヘンプは、汚染された土壌の修復にも役立ちます。
先進国の政府がヘンプの栽培に関連した時代遅れの規制をようやく更新し、ヘンプのルネッサンスが進行中であることから、将来的には安価な工業用ヘンプのバイオ燃料がより広く利用できるようになることを期待したいところです。

まとめ

バイオマスとして麻植物の利用を考えると、エネルギーの変換には多数の方法があります。それぞれ、一長一短ありますが、今後の技術の発展により、より効率的にエネルギーへの変換が可能となるでしょう。
栽培が比較的容易な麻植物のエネルギー変換の確立は日に日に重要性を増しています。環境に優しいサステイナブルな社会の実現に欠かせない物となっています。

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参考文献
  • Prade, Thomas, et al. “Biomass and energy yield of industrial hemp grown for biogas and solid fuel.” Biomass and bioenergy 35.7 (2011): 3040-3049.
  • Kreuger, Emma, et al. “Anaerobic digestion of industrial hemp–Effect of harvest time on methane energy yield per hectare.” biomass and bioenergy 35.2 (2011): 893-900.
  • Lee, W. C., & Kuan, W. C. (2015). Miscanthus as cellulosic biomass for bioethanol production. Biotechnology journal, 10(6), 840-854.
  • Prade, T., Svensson, S. E., & Mattsson, J. E. (2012). Energy balances for biogas and solid biofuel production from industrial hemp. Biomass and bioenergy, 40, 36-52.

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